Apresentação António Vallêra Universidade de Lisboa 3ª Conferência Anual do EnergyIN

1António Vallêra – 2013

Os caminhos da Energia Solar: Desafios e oportunidades para a indústria nacional

António Vallêra

Universidade de Lisboa (SESUL/FCUL)

SDSIL (Solar Ribbons)

Inovação tecnológica em curso: oportunidade ou ameaça?

Plano:

1. O contexto

2. Inovação em curso:

a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistema:c) Na rede locald) Na rede global

3. Conclusões

António Vallêra – 2013 2

Plano:

1. O contexto:

Vem aí a energia solar em larga escala!


(Temos de nos preparar!)

1.1 O recurso solar

Questão:

PV em larga escala é possível?


Radiação solarFoquemo-nos na Terra, e respondamos à seguinte questão:

Qual a energia da radiação solar que incide na Terra durante um ano?

R: Cerca de 10 000x 10 000x 10 000x 10 000x o consumo anual total de energia actual

http://sunbird.jrc.it/pvgis/pv/index.htm

P: Que área de painéis seria necessária para satisfazer todas as necessidades actuais de energia eléctrica em Portugal (com tecnologia actual)?

R: ~ 20m2 por pessoa

~ ordem da área edificada

<< área das estradas

Portugal:Portugal:Portugal:Portugal: Irradiação anual acumulada [kWh/m2]

1.1 O recurso solar

Conclusão:

PV em larga escala é possível!

António Vallêra – 2013

1.2 Mas o mercado global ...

Deve estar a abrandar, com a crise...


A energia solar fotovoltaicaé cara!

Bars: forecast 2010 forecast 2008 Market values

Fonte: EPIA – Global Market Outlook until 2016

PV: um mercado em início deexplosão

Mercado mundial

• Potência instalada atingiu emFev 2013 100 000 MW

• Instalados ~ 31 000 MW denova capacidade em 2012

• Crescimento médio anual de20%

• Valor actual da indústria:

77 000 milhões de dólares

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1.2 O mercado glogal...Deve estar a abrandar, com a crise...

Conclusão: Não! Pelo contrário,O mercado global está a explodir!


1.3 Um estudo de caso: os EUA


Fonte: Sunshot Program,

NREL

Um estudo de caso: os EUA

Em 2010, é lançado o programa SunShot

Fundamentos:

• Se o custo de um sistema de energia solar fotovoltaica fosse caindo até1$/W nos próximos ~15 anos, a energia solar iria explodir, podendo vir asatisfazer 14% de toda a produção elétrica nos EUA já em 2030, semsubsídios

• Isso só é possível pela via da evolução da tecnologia, pelo que ogoverno federal decidiu investir fortemente em pesquisa tecnológica aolongo de toda a fileira do PV

13


NREL


14


NREL

EUA:Sunshot program

Objectivo final:

Atingir um custo desistema PV de1$/W

• Atingir 2.2$/W em2016

• Atingir 1$/W em2030


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Custos em queda:Os EUA já atingiram, em2012, o objectivo previstopara 2016,

2,2 $/W !

Este custo coloca a energiaelétrica fotovoltaica já aomesmo nível do custo danova nuclear, ~0.11$/kWh!


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Fonte: http://www.seia.org/research-resources/solar-industry-data

http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2013/03/another-banner-year-for-solar-power-industry-breaks-records-

in-2012?cmpid=WNL-Friday-March15-2013

PV: um mercado em explosão

Estados Unidos da América

• Instalados 3 313 MW de nova capacidade em 2012

• Crescimento médio anual de 50%


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Fonte: http://www.seia.org/research-resources/solar-industry-data

http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2013/03/another-banner-year-for-solar-power-industry-breaks-records-

in-2012?cmpid=WNL-Friday-March15-2013


PV: um mercado em explosão

Estados Unidos da América

• Mercado de 11 500 M$

• 120 000 postos de trabalho

• Mais de 5600 empresas das

quais mais de 650 de

manufatura industrial

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Conclusão:

A explosão do solar fotovoltaico já se iniciou nos EUA,com investimentos em projetos solares em 2012 já comvalor de

11 500 milhões de dólares por ano

e crescimento de 50% ao ano.


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1.3 ... e o futuro


Perspetivas para o mercado global para a Energia Solar Fotovoltaica:

Estudos actuais prevêem um enorme investimento nos próximos anos:relatório da McKinsey aponta para ~1 trilião de dólares* até 2020

* 1012 dólares

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Estudo da McKinsey

“Solar Power: darkest before dawn”, Apr 2012

PV: o mercado vai explodir

Mercado mundial

• O investimento mundial na energia solar poderá atingir

1 trilião* de dólares

até 2020.

* 1 milhão de milhões de dólares

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Mas a futura penetração maciça de energia solar fotovoltaicanão será travada por causar problemas à rede elétrica?

Uma resposta vem da Alemanha: a energia solar atingiu quase 50%da potência da rede em Maio de 2012, sem problemas de maior:

(mas...)

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Uma visão do futuro (no presente):

A geração elétrica numa semana de Maio de 2012 na Alemanha(país com a mais elevada penetração da energia solar fotovoltaica na rede elétrica)

•A produção solar fotovoltaica atingiu 22 000 MW

•Chegou a atingir quase 50% da energia injetada na rede

•Satisfez os picos de maior consumo, reduzindo os custos da energia

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Plano:

1. O contexto



3. Conclusões


Tecnologias fotovoltaicas: rendimentos de conversão

Recorde

em

Laboratório

Record

em

produção

Produção Módulo

c-Si mono Silício monocristalino 24,5% 22,4% 16 - 22% 13 - 19%

c-Si multi Silício policristalino 20,4% 18,0% 14 - 18% 11 - 15%

a-Si Silício amorfo 10,4% 7,1% 4 - 7% 4 - 7%

a-Si/µµµµ-Si Silício amorfo / microcristalino 13,2% 10,0% 7 - 9% 7 - 9%

Cd-Te Telurieto de cádmio (II-VI) 16,7% 11,2% 10 - 11% 10 - 11%

CIS Selenieto de cobre e índio (gálio) 20,3% 12,1% 7 - 12% 7 - 12%

CPV III-V Tripla junção monolítica 41,6% - 39,0% 15 - 25%

Dye s. cells Grätzel cells (electroquímicas) 12,5% - 2 - 4% 2 - 4%

Orgânicas Poliméricas 7,9% - - -

...

Silício

Filmes finos

Tecn.

Emergentes"

Tecnologias


PV: Tecnologias em competição

1. The contexta) The resource


Cuidado!

1. O mercado é que decide, não a nossa classificação como “emergente” or “futura”!

2. A eficiência é importante, mas é apenas um dos parâmetros que determinam o CUSTO.

3. O CUSTO do sistema (€/W), ou melhor ainda, o custo da energia (€/kWh), é o foco principal da indústria PV – e da I&D.


Materiais em competição:

Silicon vs Thin Films: evolution of market share



Um estudo de caso: o SILÍCIO

Q: Até onde podem baixar os custos dos painéis de silício?


Back to the old learning curve! 2011

Evolução dos preços dos painéis de silício

(1976 – 2011)

Silicon moduleSpot price,2 Nov 2011:

1.065 $/W

31

2012

Desde que a “bolha do silício” rebentou*, os preços do módulos solares cairam muitorapidamente: de 2010 a 2013, o preço spot caiu de um factor de 2,5x! Esta queda dospreços sustenta a explosão que se verifica nos mercados, apesar dos incentivosdecrescentes.

* Durante a “bolha” (2003-2010), o silício, a matéria primaprincipal, chegou aos 500$/kg,mais de 25x o seu custo deprodução! Os preçosextremamente elevados eramdevidos à escassez do silício,enquanto a indústriafotovoltaica não criou a suaprópria produção e seautonomizou relativamente àindústria da microeletrónica. Osilício custa hoje menos de20$/kg. O preço dos móduloscaiu para 1/5 do seu valor em2008.

32

SR - 33

Silicon technology value chain

Value chain of c-Si technology (shown also: alternative SDS path)

Materials/products Prices €/kg

Prices €/watt Operations Margins

Number of

Players

SDS operation

gross margin

Silica <0.1€/kg

Reduction 1.7 €/kg ~20

Mg-Si (99%pure) 1.8 €/kg 0.005 €/W

Gasification

/purification 16 €/kg* ~10

Gaseous feedstock 18 €/kg* 0.05 €/W#

Si reduction in Siemens reactor

34 €/kg 0.08 €/W* ~10

Solar grade silicon

(polysilicon) 52 €/kg 0.13 €/W#

SDS

Crystallization 56 €/kg

0.07 €/W ~50 Gross

margin:

Si ingot 78 €/kg 0.20 €/W# 0.48 – 0.05 = 0,43 €/W

Ingot sawing 84 €/kg

0.48 €/W ~50

Si Wafer 192 €/kg 0.48 €/W

Cell

processing 0,21 €/W ~100

Solar cell 286 €/kg 0.71 €/W

Cell to module 0,29 €/W ~1000

Modules - 1.00 €/W

* Estimated, based on equipment provider privately cited costs plus a margin; note that other items are prices. # Takes into account the amount of silicon actually used in a solar cell, not the wasted material. . Main source: market spot prices May 2011 (PVInsights)

1. Um factor de custo:

A BOLACHA (wafer) de silício

(A 0.2 €/W, representa 35% do custo do painel)

34

Porque é a wafer tão cara?

António Vallêra – 2012 SR - 35

Claro que a wafer tem de ser cara, porque o silício é muito caro!

Preconceito:


Olhemos com mais cuidado:

Quanto custa o silício que uma célula contém realmente (2,4 g/W)?

Desafio:


0.04 €/W ! (@ 20$/kg)

(0.025 €/W se considerarmos o gás, em vez do polysilicon sólido)

O custo é sobretudo o da transformação

gás wafer

2.5 25 c€/W

e não do silício per se!

Desafio:



0,22€/W(33%)

0,28€/W(40%)

0,19€/W(27%)

Feedstock

Crystalization

Ingot sawing

Wafer selling price (2010) = 0.69 €/W

Podemos agora responder:

Porque é a wafer tão cara?

Porque a tecnologia atual toma uma matéria prima cara, de extrema pureza, e então

� Usa muita energia e equipmento muito caro para a processar;

� Contamina-a usando consumíveis muito caros(cadinhos);

� E depois deita fora 60 a 75% do precioso material resultante!

Can we do better?(Estamos a ser injustos, claro. O facto é que esta tecnologia tão desperdiçadora do silício é a única que até agora produz consistentemente wafers de boa qualidade)

Can we do better?

Uma resposta vem do nosso laboratório:

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SR - 42

Si Gas feedstock

PolysiliconDeposition Crystallization

Standard wafering

Solar cell and module

Slim-Cut zero kerf

Innovative concepts I


SR - 43

Stress activation

Si substrate (ingot) to be re-used

Solar cell processing

Cle

anin

g/po

lishi

ng

Crack initiation and propagation

Stress-inducing layer

Etching

Slim-Cut (Colaboration with IMEC+…)


SR - 44

50 µm

10 cm2 wafer

Slim-Cut

1 cm2 solar cellEff = 10%


SR - 45

Si Gas feedstock


Standard wafering


EZ-ribbon

Slim-Cut zero kerf

Innovative concepts II


SR - 46

Silicon pellets

feeding

Silicon ribbon growth

Electric currentSilicon slab

V

1 cm


SR - 47

Si Gas feedstock


Standard wafering


SDS

EZ-ribbon

Slim-Cut zero kerf

Innovative concepts III


SDS: fast film deposition (video)

2. What SDS does


How SDS compares

Even at a low selling price of 0.22 €/W, the advanced technology, at a SDS wafer cost of 0.07 €/W, assures a large margin.

SDS cost structure (advanced techn.)

SDS cost structure @ advanced technology(by simulation of a future factory of 1.4GW/year)Total = assumed wafer selling price of 0.22€/W(assumed for medium term future; present=0.48 €/W)

14.6%

5.9%

3.3%

9.3%

67.0%

Fábrica 2 (selling price: 0.22 €/W)

Silane + mat + consum

Energy

Personnel

Investment

Gross margin


Quão baixo é este custo,

0.07 €/W ?

Suponhamos que outros factores de custo baixariam na mesma proporção; então o custo final de um sistem PV poseria ser

0.3 €/W ! ¼ da eólica!

Isto não é realista no médio termo, e não é usado em projeções do custo final de painéis ou sistemas, evidentemente. Numa estimativa mais realista: se tomarmos valores atuais para os custos wafer-célula-painel, custos <0.50 €/W para os painéis seriam imediatamente possíveis.


A Célula de silício

(A transformação WAFER – CÉLULA, a 0.14€/W, representa 25% do custo do painel)

Can we do better?

51


1.

Atualmente, metade dos custos do processo de transformação

wafer - célulasão as pastas de prata para os contactos!

Inovação: em pleno desenvolvimento processos que reduzem enormemente a necessidade da prata.

SR - 53António Vallêra – 2012

A modern silicon solar cell:


2. Se aumentarmos a eficiência da célula, todos os custos se reduzem em €/W!

Inovações em desenvolvimento:

1. Na calha: passivação da traseira da célula por dielétrico, contactos pontuais; ...

2. Aumento marginal da eficiência: plasmónica, conversores de luz, banda intermédia, ...

3. Aumento radical da eficiência: célula de filme fino em tandem com o silício: do máximo prático de 25% para o teórico de 42.5%!


Célula - painel

(A integração Célula - painel, a 0.27€/W, representa 39% do custo do painel)

Can we do better?

55

Inovação em curso:

1. Modificação dos contactos (stringing):+ soldadura+ back-contacting

2. Sistemas de monitorização de qualidade,automação, ...

3. Caixilhos (substituição do alumínio)

4. Design para integração arquitetónica, ...

5. ...


Plano:

1. O contexto



3. Conclusões


Sistemas em competição:

• Painéis fixos vs seguidores solares

• Painel plano vs Concentrador

• Integrado em edifícios vs montado no solo

• Micro/mini sistemas vs grande escala

• Ligado à rede vs sistema autónomo

• Com armazenamento vs sem armaz.

• ...António Vallêra – 2012


Onde são benvindas inovações no sistema?

1. Integração / arquitetura

2. Montagem (estrutura mecânica e elétrica)

3. Sistemas de seguimento e concentração

4. Gestão da potência: o inversor (a 0.18€/W, representa 34% do custo dos painéis!)

5. Gestão da energia: armazenamento

Plano:

1. O contexto


a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistemac) Na rede locald) Na rede global

3. Conclusões


Plano:

1. O contexto

2. Inovação em curso:a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistemac) Na rede locald) Na rede global

3. Conclusões


Mensagem final:


Energia Solar Fotovoltaica:

Temos de nos preparar para a sua penetração em larga escala!

(vai mesmo acontecer)

Mensagem final:


Preparar:

• Políticas públicas: (apoio à criação de um ecosistema favorável)

• Regulação/incentivos (procurar equilíbrios win-win): regras simples, claras, estáveis no tempo –traçando no presente um caminho para o futuro

• Apoio à certificação e formação

• Apoio à I&D, às empresas, à demonstração

• Organização privada

CONCLUSÕES• A tecnologia solar fotovoltaica tem evoluido continuamente,

com um decréscimo de custos superior a 15x nos últimos30 anos;

• É a tecnologia, não o volume, o principal responsável peloscustos atuais dos módulos bem abaixo de 1€/W;

• Possibilidades de redução de custos para valores aindamuito inferiores foram identificadas;

• A corrida tecnológica está longe de decidida, com vários competidores em boa posição para atingirem o Graal: produção em muito grande escala sem subsídios (sem necessidade de nenhuma bala de prata!)


CONCLUSÕES

• A indústria solar fotovoltaica está em profunda transformação

• Identificámos algumas áreas de inovação (em curso oupotenciais) nas quais há enormes oportunidades para quem

• entender as questões e

• tiver capacidade para as saber aproveitar


Inovação tecnológica em curso: oportunidade ou ameaça?

Obrigado!


Education

Apresentação António Vallêra Universidade de Lisboa 3ª Conferência Anual do EnergyIN